JPH0354619A - 座標入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野Ｊ 本発明は座標入力装置，特に振動入力手段から振動伝達
部材に入力された振動を振動伝達部材に設けられた複数
の振動センサにより検出し、振動伝達部材上での振動到
達時間を測定しその測定結果に基づき振動伝達部材上で
の振動入力点の座標を検出する座標入力装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来、情報処理装置のデジタイザタブレットや、複写機
の領域指定装置などにおいて、各種の座標入力方式が用
いられている。通常、この種の装置では、入力タブレッ
トに対して入力ペンを接触させることにより座標入力を
行なっている．従来の座標入力方式において、入力ベン
による入力点の座標を検出するために、感圧式、静電式
、あるいは超音波振動の伝達を利用したものが知られて
いる． 特に超音波方式では、タブレットの構造が簡単であり、
また、透明材料などをタブレットとじて使用できるため
、タブレットを原稿や表示装置などに重ねて使用できる
という利点がある．通常、タブレットの複数の位置には
圧電素子などによる振動センサが装着され、同じく圧電
素子などからなる振動子をもつ入力ペンから入力された
振動を検出し、その振動伝達時間から入力点からセンサ
までの距離が算出され、これに基づき入力点の座標が検
出される． ［発明が解決しようとする課題］ 従来の超音波振動方式の座標入力装置では，入力ペンに
よる指定部位とセンサ間の距離によってセンサに得られ
る受信出力が大きく変化するため、センサと入力ペンの
間の距離が近い場合は信号が飽和したり，遠い時は小さ
くなって雑音レベルに埋もれたりする危険性が多く，測
定精度の向上を阻害するという問題があった． この問題は，入力タブレットの面積が大きく設定される
装置において重要である．入力タブレットが大きければ
，考えられる入力点からセンサまでの距離が著しく大き
い場合と著しく小さい場合が生じ、これらの場合におけ
る振動センサに入力される振動の強度の差が非常に大き
い．また、ユーザの筆圧も常時一定ではないから、検出
信号強度のばらつきはこれによっても大きくなる．した
がって、従来では入力領域の面積が大きなタブレットを
構成するのが困難であった．本発明の課題は、以上の問
題を解決することにある． ［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために，本発明においては、振動
入力手段から振動伝達部材に入力された振動を振動伝達
部材に設けられた複数の振動センサにより検出し、振動
伝達部材上での振動到達時間を測定しその測定結果に基
づき振動伝達部材上での振動入力点の座標を検出する座
標入力装置において、振動センサの出力信号から前記振
動到達時間を検出する手段と、この振動到達時間検出手
段の出力に応じて振動入力点の座標を演算する手段と、
前記振動センサの出力信号に応じて前記振動入力手段の
出力振動の強度を制御する手段と、前記複数の振動セン
サの出力信号のうちいずれかを時分割で選択して前記振
動到達時間検出手段および振動強度制御手段に入力する
切換手段を設けた構成を採用した． ［作　用］ 以上の構成によれば、複数の振動センサの出力を時分割
で取り込み、単一の振動到達時間検出手段を用いて座標
検出が可能である．また、複数の振動センサの出力を時
分割で取り込み、振動入力手段の出力制御を行なえ、各
センサそれぞれに関して適切な振動入力レベルを設定で
きる．［実施例］ 以下，図面に示す実施例に基づき、本発明を詳細に説明
する． 第ｌ図は座標入力装置の座標入力部を示している．第１
図において符号ｌは超音波の振動伝達部材からなる座標
入力面で、ガラス、アルミ板などが用いられる． 振動入力面ｌには圧電素子からなる振動センサ２ａ〜２
ｃが固定されており、圧電素子からなる４から発せられ
た超音波振動を振動入力面ｌを通して受信する．入力ペ
ン４は同様の圧電素子による振動子を内蔵し、振動入力
面ｌ上の所望の座標に振動を入力する． ここでは３個のセンサを用いた例が示してあるが、原理
的には入力面の１辺に２個のセンサを配置すれば、指示
点の座標を算出することができる（第２図では４個を図
示）． 振動伝達板ｌの縁部には、振動の反射により娠動センサ
２ａ〜２ｃにノイズが入力されるのを防止するため、防
振材３が取り付けられている．第２図に第１図の装置の
制御系の構造を示す．第１図において符号２ａ〜２ｄは
入力面ｌに装着した振動センサ、符号５１〜５４はそれ
ぞれのセンサに近接して装置内に配置された前置増幅回
路、符号６は振動センサ２ａ〜２ｄの信号を選択するア
ナログマルチブレクサ回路、符号７は信号到達時間検出
回路（後述）である。

マルチブレクサ６は、制御部ＣＣによるＡ．Ｂの２ビッ
トの入力値に応じて、前置増幅器５１〜５４の出力のい
ずれか１つを出力する。

マルチブレクサ６の出力は、オペアンブ８に入力され所
定の増幅比で増幅され，信号到達時間検出回路７に入力
される．また、信号到達時間検出回路７の出力は、コン
バレータ１１に入力され、基準電圧ｌ２と比較され、そ
の比較結果が制御部ＣＣに入力される． 制御部ＣＣは、マイクロプロセッサ、およびメモリなど
から構成され、信号到達時間検出回路７で検出した振動
到達時間（後述）に基づき入力座標値を算出する．また
，制御部ＣＣは，コンバレータｌｌの出力に応じて、振
動子３ｌの駆動信号強度を制御する． 振動子３ｌの制御系は、カウンタ３２、３３、トランジ
スタＴｒ３　１．才ベアンブ３４、Ｄ／Ａコンバータｌ
Ｏにより構成される． カウンタ３２は夕ロック信号を制御部ＣＣのデータに応
じて、所定の周波１７ｆｌにカウントダウンする．カウ
ンタ３３はカウンタ３２の出力を、制御部ＣＣのデータ
に応じて所定パルス数だけ出力する． カウンタ３２、３３の制御により、座標検出時は、第３
図（Ｂ）に示すように振動ベン４の振動子３ｌは数バル
スで間欠的に駆動され、信号出力測定時には振動ベン４
の振動子３ｌは連続波で駆動される． 才ベアンプ３４は、振動子３ｌに入力されるトランジス
タＴｒ３　１の出力信号強度を制御するものである．オ
ペアンブ３４は制御部ＣＣによりＤ／ＡコンバータｌＯ
を介して制御される。

すなわち、Ｄ／Ａコンバータ１０は、あらかじめ定めら
れた初期値を出力する．この出力に応じて、オペアンブ
３４は、トランジスタＴｒ３　１のコレクタ電圧を決定
する．このようにして、制御部ＣＣはＤ／Ａコンバータ
ｉｏ、オペアンブ３４を介して振動子３ｌの駆動信号の
振幅、したがって、振動ペン４の出力信号強度を制御す
る。

このとき、制御部ＣＣは，コンバレータ１１を介して検
出した振動センサ出力が所定値よりも小さければ、Ｄ／
Ａコンバータ１０、才ベアンブ３４を介して振動子３ｌ
の出力を現在値よりも増大させ、また振動センサ出力が
所定値よりも大きければ、Ｄ／Ａコンバータ１０、才ベ
アンブ３４を介して振動子３ｌの出力を減少させるよう
に制御し，オペアンブ８の出力が所定の範囲に収まるよ
うに調節する． 振動子３ｌの駆動出力はペン先から座標入力面ｌの伝播
体へ伝えられ、振動波となって各振動センサ２ａ〜２ｅ
に到達する． 各センサの出力はセンサ近傍に設けられた各前置増幅器
５１〜５４で増幅され、マルチブレクサ６に入力される
． マルヂブレクサ６で選択されたセンサの出力信号は、オ
ペアンブ８で増幅された後コンバレータｌ１で基準電圧
Ｅと比較される．この比較結果は制御部ＣＣに入力され
、その結果に応じてＤ／ＡコンバータｌＯの出力を制御
して振動子３ｌの出力振動の強度を変化させる。

．：−　（７）　Ｋｌ　御結果をコンバレー夕１１で検
出し、所定範囲内であればＤ／Ａコンバータ１０をその
値でホールドして振動入力条件を固定し、信号到達時間
検出回路７で得られた出力ｔｇ．ｔｐのデタを制御部Ｃ
Ｃに取り込み、所定の演算式に代入してペンの指定座標
を求める。

ここで、信号到達時間検出回路７の作用および具体的な
構成につき説明する． 第１図のような構成では、入力ベン４から各振動センサ
２ａ〜２Ｃまでの直線距離を算出し、これに基づき入力
点の直交座標系における座標値を算出する． まず、センサからの信号出力は第４図に示すようになる
．ここで振動到達時間を信号波形のエンベローブの重畳
としてｔｇとすると、原理的にはγ＝＝ｙｇ　−　ｔｇ
　（ｖｇ　：振動の群速度ｔｇ：振動センサを介して検
出された座標入力面Ｉ上での振動伝達時間）の式によっ
てγを算出することができる． しかし，エンベローブ（の頂上）で時間を検出するとい
う方法をとると、信号出力の大きさやフィルタ特性の影
響である程度のゆらぎΔｔｇがどうしても発生する．一
般には、特定の位相ゼロクロス点を検出して時間を決定
する方がよりゆらぎの少ない値を得ることができる．そ
こで、たとえば群遅延時間ｔｇ決定直後の位相やゼロク
ロスというように検出点を規定してその時間を位相遅延
時間ｔｐとして観測し、γ＝ｖｇ−ｔｐとしてγを算出
すれば、より高精度な距離計測が行なえる． しかし、この方法は用いる超音波が波動として群速度ｖ
ｇと位相速度ｖｐが等しい性質を有する場合に限られる
．これは、群速度ｖｇと位相速度ｖｐが、異なると距離
γとともに群の中での位相がずれてしまうため，ある１
つの位相だけを追い続けることが不可能となるからであ
る．このような例は、横波において見られるが、この場
合の距離γの算出方法を次に説明する．前述と同様，群
遅延時間ｔｇ決定直後の位相ゼロクロスというように検
出点を規定した場合、位相遅延時間ｔｐとしては、第６
図のように階段状のものが観察される． 位相遅延時間ｔｐの段々は位相の検出点の移動を示すも
ので、格段のつなぎ目はＴだけ平行移動したものとなる
．群速度ｖｇと位相速度ｖｐが等しく、常に一定の検出
点を観測できる場合にはこのような階段はできず、符号
ａのように直線性をもつ位相遅延時間ｔｐが得られる。

したがって、階段状に得られるｔｐをもとの直線ａに変
換すればよいことになる．つまり ｔｐａｘ（ｖｇ／ｖｐ）ｔｇ＋ｉｏｆ であるが、ｔｇはブレが大きいので ｔｐｉ＝　（ｖｇ／ｖｐ）ｔｇ＋ｉｏｆ−ｔｐ＝ｎＴ（
ｎは整数） という性質を利用して ｔｐａ＝　　ｔ　　ｐ　　＋　Ｔ　−　　ＩＮ丁　　（
ｔｐｉ＋０．　　５）：ｔｐ＋Ｔ−ｒＮＴ　［（（ｖｇ
／ｖｐ）ｔｇ＋ｉｏｆ−ｔｐ）／Ｔ＋０．５］ とする手続をとればよい． 結局、γは次式で求められる。

γ＝ｖｐ−ｔｐａ−γＯｆ 以上で述べたような方式で群および位相遅延時間ｔｇ．
ｔｐ検出を行なう場合のブロック構成図を，第５図に示
す．この例は群遅延時間ｔｇとしてセンサ出力のエンベ
ローブ波形の２回微分ゼロクロス点、つまり変曲点を検
出する場合である．第１図のマルチブレクサ６の出力は
、絶対値回路１３．ローバスフィルタ１４によって全波
整流、エンベローブの波形変換を行なう．そしてこのエ
ンベロープ波形に対して微分回路１５、１６を２回通し
て１次、２次微分波形を得、そのゼロクロス点をＴｇ検
出ゲート回路ｌ７の出力とＴ−ｇコンバレータ１１０に
より比較することにより振動入力からの群遅延時間ｔｇ
を測定する．一方，群遅延時間ｔｇの検出に伴って位相
遅延時間ｔｐ検出用のゲート回路ｌ８がオンし、その直
後のセンサ出力ゼロクロス点をＴｇコンバレータ回路２
０によって検出し、振動入力からの位相遅延時間ｔｐを
求める。

実際には、群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐは，カウ
ンタ２ｌの計時により求められる．すなわち、カウンタ
２１は振動ペン４の駆動開始とともにスタートされ、所
定のクロックで歩進する。

群遅延時間ｔｇ、位相遅延時間ｔｐの検出タイミングを
コンバレータ１９．２０がそれぞれ出力すると、カウン
タ２ｌの時間カウント値は、コンパレータｌ９、２０の
出力パルスに同期してラッチ２２、２３にラッチされる
．これらのラッチ２２．２３に保持された群遅延時間ｔ
ｇ、位相遅延時間ｔｐに相当するカウント値は、バッフ
ァ２４、２５を介して取り出され、制御部ＣＣによる演
算に使用される． 実際には，第２図に示したように、センサ出力をマルチ
ブレクサ６により時分割で信号到達時間検出回路７に入
力しているので、ラッチ２２、２３ないしバッファ２４
、２５から取り出せるデータは１つのセンサに関するも
のである．したがって、複数のセンサの出力を取り出す
場合には、マルチプレクサ６を切り換えて時分割でラッ
チ２２、２３ないしバッファ２４、２５から各振動セン
サに対応したデータを取り出すことになる． 以−１の構成によれば、振動センサの出力信号の強度を
、コンパレータ１ｌを介して検出し、制御部ＣＣではこ
の信号強度に応じて振動子３ｌの駆動信号の強度を決定
しているため、振動伝達距離の大小，ユーザの筆圧の大
小にかかわらず、信号到達時間検出回路７に適切な信号
強度およびＳ／Ｎ比を有する振動検出波形を入力するこ
とができ、正確な座標検出が可能である． すなわち、振動伝達距離が遠い場合でも，振動ペンによ
る振動入力レベルを大きくしてＳ／Ｎ比を低下させるこ
となく振動検出を行なえ、また、近距離の場合には振動
ペンの振動入力レベルを小さくして検出波形の歪みを防
止し、正確な波形処理に基づく高精度な座標演算が可能
である．本発明によれば、大面積の入力領域を有する座
標入力装置を容易に実現できる． また，上記実施例によれば、マルチブレクサで各娠動セ
ンサの出力を時分割で取り込み、信号到達時間検出回路
７による振動伝達距ｆｉ測定が可能であるから，アナロ
グ信号処理系が１系統ですみ、簡単安価に装置を構成で
きる． また、マルチブレクサで各振動センサの出力を時分割で
取り込み、これに応じて振動ペン４の出力制御を行なっ
ているので、各センサにより距離検出を行なうごとに振
動ベン４の出力調整を行なうことができる．このような
制御を行なうことにより、ある振動センサに近く、ある
センサから遠い入力点に座標入力が行なわれた場合でも
各センサに対する振動入力レベルをほぼ同様に制御でき
、各センサともに同等の条件で距離算出および座標検出
を高精度に実施できる。

さらに、前置増幅器５ｌの出力レベルを従来より高める
ことかできるため、前置増幅器５夏の出力ケーブルにシ
ールド線や同軸ケーブルなどを使用しなくてもＳ／Ｎ比
の劣化を防ＩＬすることができる。

なお−Ｅ記の距離検出および増幅比制御の時分割制御は
擾作者の入力速度に比して１一分速い速度で行なうのは
いうまで６ない。

第７図に、第２図の回路において，基準電圧ｌ２の代わ
りにＤ／Ａコンバータ３５を用いた例を示す．第７図の
構成では、ＩＩＩ　ｆｌａｔ部ＣＣがＤ／Ａコンバータ
３５の出力を複数レベルに切り換えてオペアンブ８の出
力と比較することによって、信号出力を短時間に測定で
きる． 以上では，簡略化のため、コンバレータｌｌの基準値を
１つとして説明したが、これを複数段階に分割し、それ
に応じて適当な振動子３１の駆動イ３号強度を設定して
もよい。また，コンバレータ１１によりセンサ出力の平
均値、所定の時刻の瞬間値、ピーク値などを検出するこ
とが考えられる． たとえば第８図（第７図の変形例）に示すように、オペ
アンブ８の出力をピークホールド回路を介して信号出力
のピーク値をホールドし、Ｄ／Ａ出力を何ステップか切
り換えてピーク値を測定するようできる．この構成では
、測定が終了したら、次のセンサに切り換える前に制御
部ＣＣによってリセットされる。

［発明の効果１ 以上から明らかなように、本発明によれば、振動入力手
段から振動伝達部材に入力された振動を振動伝達部材に
設けられた複数の振動センサにより検出し、振動伝達部
材上での振動到達時間を測定しその測定結果に基づき振
動伝達部材上での振動入力点の座標を検出する座標入力
装置において，振動センサの出力信号から前記振動到達
時間を検出する手段と，この振動到達時間検出手段の出
力に応じて振動入力点の座標を演算する手段と、前記振
動センサの出力信号に応じて前記振動入力手段の出力振
動の強度を制御する手段と、前記複数の振動センサの出
力信号のうちいずれかを時分割で選択して前記振動到達
時間検出手段および振動強度制御手段に入力する切換手
段を設けた構成を採用しているので、複数の振動センサ
の出力を時分割で取り込み、屯一の振動到達時間検出手
段を用いて座標検出が可能である．また、複数の振動セ
ンサの出力を時分割で取り込み、振動入力手段の出力制
御を行なえ、各センサそれぞれに関して適切な振動入力
レベルを設定できる。すなわち、装置の構成を簡単安価
にでき、また、複数の振動センサに関して振動到達時間
の検出を同一の条件にでき、容易に大面積の座標入力装
置を構成できるなどの優れた効果がある．

【図面の簡単な説明】

第１図は座標入力装置の座標入力部の説明図、第２図は
本発明を採用した実施例を示すブロック図、第３図（Ａ
）、（Ｂ）は本発明による振動ペンの振動子の駆動タイ
ミングを示した波形図．第４図はセンサの検出出力波形
を示す波形図、第５図は信号処理回路の例を示すブロッ
ク図、第６図はベン〜センサ間距離と超音波到達時間の
関係を示す線図、第７図、第８図はそれぞれ本発明によ
る他の実施例を示すブロック図である．ｌ・・・座標入
力面　　２ａ〜２ｄ−・一振動センサ３・・・防振材　
　　　４・一振動ペン６，・・・マルチブレクサ ７・−・信号到達時間検出回路 ８・−・才ベアンブ　　ＩＯ・・・Ｄ／Ａコンパータ１
１・・−コンパレータ　ｌ３・・一絶対値回路ｌ４・・
・ローバスフィルタ ２ｌ・・・カウンタ　　　２２−・・ラッチ２３・・−
ラッチ　　　　２４・・・バッファメモリ２５・・・バ
ッファメモリ ３ｌ・・・振動子　　　　３２・・・カウンタ３　３−
・・カウンタ　　　３４・・・オペアンプ５１〜５　４
　−・・前置増幅器 ＣＣ・・・制御部 ｋ種人ｎ＃Ｐの説明（２） 第１図 で５ワ靭飼０坂イう凶 第４図 （Ａ）　イ％ｓｌ＊ｎオ’ｌ？ｒ’ｅｌｆ／ＩＭ７１１
−Ｆｆ’１（Ｂ）イ１乙１【才奄ヒ台二ａ’ｊｎＪれ１
東〃；κ１１４？Ｊｈ１乃ｇｍイ１シ′ｊｆ一ノ■罰１
０≦］第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）振動入力手段から振動伝達部材に入力された振動を
   振動伝達部材に設けられた複数の振動センサにより検出
   し、振動伝達部材上での振動到達時間を測定しその測定
   結果に基づき振動伝達部材上での振動入力点の座標を検
   出する座標入力装置において、 振動センサの出力信号から前記振動到達時間を検出する
   手段と、 この振動到達時間検出手段の出力に応じて振動入力点の
   座標を演算する手段と、 前記振動センサの出力信号に応じて前記振動入力手段の
   出力振動の強度を制御する手段と、 前記複数の振動センサの出力信号のうちいずれかを時分
   割で選択して前記振動到達時間検出手段および振動強度
   制御手段に入力する切換手段を設けたことを特徴とする
   座標入力装置。